【正文】 ______________________________ _________ _________________________ __ 評(píng)閱教師簽字： _________ ______ 評(píng)閱教師職稱： _________ _____ 答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)： ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________ 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 的材料和學(xué)生的答辯情況，答辯委員會(huì)作出如下評(píng)定： 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 答辯成績(jī)?cè)u(píng)定為： 對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 的特殊評(píng)語(yǔ)： ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ________ 答辯委員會(huì)主任 （ 簽字 ） ： 職稱： ______ __________ 答辯委員會(huì)副主任 （ 簽字 ） ： 答辯委員會(huì)委員 （ 簽字 ） ： ___________ ___________ ___________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ __________ __________ 年 月 日 哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 任務(wù)書(shū) 姓 名： 崔慶龍 院 (系 )： 材料科學(xué)與工程 專 業(yè)： 焊接技術(shù)與工程 班 號(hào)： 10729101 任務(wù)起至日期： 20xx 年 10 月 8 日至 20xx 年 6 月 29 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目： 厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接工藝研究 立題的目的和意義： 解決 4500mm級(jí)載人深海探測(cè)器制造過(guò)程中的焊接問(wèn)題； 同時(shí)推動(dòng)厚板鈦合金在石油、化工等工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用，提出一種 高效便捷、經(jīng)濟(jì)性好、用于焊接厚板鈦合金的方法 。研究窄間隙條件下焊接厚板鈦合金的工藝及接頭的組織性能，優(yōu)化焊接參數(shù)，得到性能更為優(yōu)良的接頭。 技術(shù)要求與主要內(nèi)容： 利用窄間隙 TIG 焊接的方法，為得到性能優(yōu)良的焊接接頭 ，本課題主要通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究： 1) 通過(guò)對(duì)厚板鈦合金焊接性的分析，設(shè)計(jì)并制造窄間隙 TIG 焊接條件下使用的焊槍和保護(hù)裝置 。 3) 焊接后接頭的組織分析與力學(xué)性能試驗(yàn)。 通過(guò)上述的分析，確定厚板鈦合金焊接工藝，分析在窄間隙條件下焊接，焊接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出的特殊性能。 正式焊接 78mm 厚 鈦合金板，焊接工藝 的初步確定 。 焊縫溫度曲線測(cè)量及分析。 同組設(shè)計(jì)者及分工： 無(wú) 指導(dǎo)教師簽字 ___________________ 年 月 日 教研室主任意見(jiàn)： 教研室主任簽字 ___________________ 年 月 日 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 解決 4500mm級(jí)深海探測(cè)器制造過(guò)程中關(guān)于厚板鈦合金焊接的問(wèn)題，同時(shí)推動(dòng)厚板鈦合金在石油、化工等工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用，提出窄間隙條件下 TIG 焊，作為一種 高效便捷、經(jīng)濟(jì)性好、用于焊接厚板鈦合金的方法 。焊接試驗(yàn)中設(shè)置不同的坡口尺寸，一些列變化的焊接電流及氣體保護(hù)流量參數(shù)，進(jìn)行多組焊接試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)焊接接頭宏觀及微觀組織分析、對(duì)比不同參數(shù)下的力學(xué)性能測(cè)試，優(yōu)化參數(shù)，確定最佳的厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接工藝。 通過(guò)微觀金相分析，明晰了窄間隙焊接條件下晶粒生長(zhǎng)規(guī)律與組織特征 ，發(fā)現(xiàn)電流變化對(duì)于晶粒和 組織影響甚微 。 溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果符合焊接熱循環(huán)變化規(guī)律，同時(shí)因?yàn)殁伜辖鸬奈锢硇阅芴攸c(diǎn)而呈現(xiàn)出其特殊性。 narrowgap TIG。 mechanical property。這種 勘探 要求大額投入和尖端技術(shù)， 這 是 中國(guó)發(fā)展深海探 測(cè) 一個(gè)繞不過(guò)去的坎兒。中國(guó)科技部、國(guó)家海洋局聯(lián)合發(fā)布：我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的國(guó)家 863計(jì)劃重大專項(xiàng) “ 蛟龍 ” 號(hào)（如圖 11）載人潛水器在中國(guó) 南 海 3000米級(jí) 海上試驗(yàn)取得成功，最大下潛深度達(dá)到 3759 米，創(chuàng)造了水下和海底作業(yè) 9 小時(shí) 03 分的紀(jì)錄，驗(yàn)證了 “ 蛟龍 ” 號(hào)載人潛水器在 3000 米級(jí)水深的各項(xiàng)性能和功能指標(biāo)。 圖 11 蛟龍?zhí)? 圖 12 國(guó)外一深海探測(cè)器 取得成績(jī)的同時(shí)我們也要看到差距，美國(guó) 1964 年建造的 “ 阿爾文 ” 號(hào)載人潛水器 即可 下潛到 4500m的深海；法國(guó) 1985 年研制成的 “ 鸚鵡螺 ” 號(hào)潛水器最大下潛深度可達(dá) 6000m；我們的鄰居俄羅斯和日本已經(jīng)完成了深海 6000m 級(jí)水深的探測(cè)數(shù)千次。 依據(jù)全國(guó)第 11 個(gè)五年計(jì)劃，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（ 863 專項(xiàng)）中海洋技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略目標(biāo)是： “ 深化近淺海、開(kāi)拓深遠(yuǎn)海 ” 。項(xiàng)目計(jì)劃 開(kāi)發(fā) 在水下 4500 米的作業(yè)的深海潛水設(shè)備。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 圖 13 深海潛水 器效果圖 鈦合金具有密度小、比剛度、比強(qiáng)度高，耐蝕性、耐熱性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、海洋工程、汽車和醫(yī) 療等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 [1]， 鈦合金 在海洋工況下使用極具優(yōu)勢(shì)，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都十分重視鈦材在艦船領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，特別是原蘇聯(lián)全鈦耐壓殼核潛艇的成功制造，標(biāo)志著鈦材在艦船中應(yīng)用的重大突破 [2]。深海探測(cè)器的設(shè)計(jì)厚度是 90mm，因此如何完成厚板鈦合金的焊接，成為深海探測(cè)器制造的關(guān)鍵問(wèn)題。從更深遠(yuǎn)的角度來(lái)看， 近年來(lái) 厚板 鈦合金 結(jié)構(gòu)在 石油、化工、 能源 等 工業(yè) 領(lǐng)域 的應(yīng)用越來(lái)越多 ，而 且 上述工業(yè)領(lǐng)域 對(duì)于鈦合金的應(yīng)用 由以厚板焊接結(jié)構(gòu)居多，因此一種高效便捷、經(jīng)濟(jì)性好、用于焊接厚板鈦合金的方法對(duì)于推動(dòng)厚板鈦合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有著重要意義。 厚板鈦合金焊接性分析 常溫下鈦合金因表面氧化膜的作 用而保持高的穩(wěn)定性和耐蝕性能，在焊接高哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 溫下，鈦合金表面氧化膜變得疏松，使鈦與氫、氧、氮的反應(yīng)速度加快，降低了焊接接頭的塑韌性 。 因?yàn)殁伒娜埸c(diǎn)高，比熱容小，導(dǎo)熱性能差，所以在焊接時(shí)冷卻速度慢，焊接熱影響區(qū)高溫下停留時(shí)間長(zhǎng)， β晶粒在高溫下極易過(guò)熱粗化，導(dǎo)致接頭的塑韌性下降。 氣孔是鈦及鈦合金在焊接時(shí)最常見(jiàn)的 焊接缺陷 [3]。氣孔的存在會(huì)降低接頭的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。 一般來(lái)說(shuō)，電子束焊接氣孔最多，等離子最少，氬弧焊趨于中間 。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 國(guó)內(nèi)外對(duì)于鈦合金板焊接工藝的研究較多，但是多數(shù) 限于 薄板研究，對(duì)于這種厚板鈦合金焊接的研究 很少 。實(shí)驗(yàn)用板厚為 20mm，用 TIG打底， MIG填充的方法對(duì)鈦合金厚板進(jìn)行焊接。因 其需要繁瑣的保護(hù)措施，而且效率較低，所以他們得出的結(jié)論是 MIG焊接方法并不適合 于 焊接鈦合金厚板 [5]。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用窄間隙 TIG 的方法可以得到無(wú)缺陷的焊縫，焊接接頭性能良好 ，同時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接接頭因?yàn)檎g隙條件焊接，使得接頭的強(qiáng)度較常規(guī)坡口焊接條件下下強(qiáng)度高 [6]。 國(guó)內(nèi) 大連交通大學(xué)的宮平，羅宇等人使用電子束焊接的方法，焊接了 20mm的 TC4 板，并研究了不同聚焦電流對(duì)焊縫成形的影響。當(dāng)控制聚焦電流使電子束焦點(diǎn)落在工件表面附近一定區(qū)域內(nèi)時(shí) ， 焊接熔深 、 熔寬和焊縫寬度 比值隨著 焦點(diǎn)位置 的不同 表現(xiàn)出不同值，而 后隨著焦點(diǎn)位置的上移或下移 ， 焊接熔深和深寬比 H/B不斷減小 ， 熔 寬和焊縫寬度不斷增加 [7]。 焊接結(jié)果顯示，采用單面 電子束 焊接一次無(wú)法熔透 厚的鈦合金板，因?yàn)楹附舆^(guò)程中缺乏可重復(fù)性的焊接參數(shù)。 圖 18 結(jié)構(gòu)上方的環(huán)焊縫 圖 19 雙側(cè)焊接的建立 分析上述 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)在焊接厚板鈦合金方面 電子束焊接 是比較有優(yōu)勢(shì)的焊接方法 ，電子束焊接具有焊接速度高，焊接變形小，熱效率高等一系列優(yōu)點(diǎn) [9]，特別適合于厚板活潑金屬的焊接，但焊接生產(chǎn)成本高，且試件尺寸受真空室限制 [1011]；相比之下，采用氬弧焊的方法，工藝簡(jiǎn)單，操作靈活，可以有效解決大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)問(wèn)題 [1213]， 如果是以 開(kāi) V 形坡口 ， 多層多道方式焊接厚板鈦合金 ，焊接效果并不理想 ， 以窄間隙 TIG 的方式焊接厚板鈦合金板有一定的借鑒意義，但是必須在良好的保護(hù)下進(jìn)行焊接。 TIG 焊是所有焊接方法中應(yīng)用面最廣的，對(duì)有色金屬及其合金如鈦合金的焊接最具優(yōu)勢(shì) [14]。 本課題采用鎢極氬弧焊，焊接窄間隙鈦合金（ TC4）厚板，對(duì)厚板鈦合金的焊接工藝進(jìn)行深入研究，探究最優(yōu)的焊接參數(shù)和提高焊接接頭強(qiáng)度的有效途徑，得到質(zhì)量?jī)?yōu)良的接頭的同時(shí)，對(duì)接 頭性能進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步分析影響接頭性能的主要因素。 焊槍的設(shè)計(jì)要根據(jù)所焊材料的種類和結(jié)構(gòu)狀況而決定，具體來(lái)說(shuō)焊槍的設(shè)計(jì)要考慮焊接電流 的大小、焊接結(jié)構(gòu)所處的具體工況、焊接工人的可操作性等，一把合適的氬弧焊槍的設(shè)計(jì)要考慮多方面的因素。首先，鈦合金焊接時(shí)晶粒長(zhǎng)大傾向并不明顯，同時(shí)為保證窄間隙多層焊時(shí)側(cè)壁 熔 合良好，宜采用較大的熱輸入。這要求所設(shè)計(jì)的 焊槍噴嘴能深入到所開(kāi)窄間隙坡口中 ； 本項(xiàng)目旨在制造直徑兩米的球形容器，整個(gè)球體共有 6 條經(jīng)線焊縫和 1 條赤道環(huán)焊縫，全部由焊工手工操作完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)焊工的要求較高。 綜合考慮上述因素，抓住所設(shè)計(jì)焊槍冷卻好、質(zhì)量輕及細(xì)長(zhǎng)陶瓷噴嘴三個(gè)主要特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造了適合于窄間隙、大電流下焊接的焊槍。 圖 21 焊槍主體結(jié)構(gòu) 圖 22 陶瓷噴嘴尺寸 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 最終完整的槍體設(shè)計(jì)圖如圖 23 所示。但在溫度升高過(guò)程中，鈦對(duì)氫、氧和氮的吸收能力不斷加強(qiáng) [16]。采